CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Mã chương: 20-06 Gới thiệu:

Trong hệ truyền động điện luôn có sự thay đổi tải trong quá trình làm việc của hệ. Việc lựa chọn động cơ sao cho phù hợp với sự thay đổi của phụ tải trong các

hệ truyền động điện là rất quan trọng. Trong bài học trình bày các chế độ làm việc của động cơ, các phương pháp chọn công suất động cơ làm việc trong các chế độ và cách kiểm nghiệm công suất động cơ

Mục tiêu:

- Chọn đúng công suất động cơ cho những truyền động có điều chỉnh và không điều chỉnh tốc độ.

- Kiểm nghiệm công suất động cơ sau khi đã chọn cho phù hợp với máy sản xuất.

- Chủ động, nghiêm túc trong học tập và công việc

1.Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt

Mục tiêu:

Trình bầy được phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên

lý phát nhiệt

1.1.Phát nóng và nguội lạnh của máy điện

a. Nguyên nhân phát nóng động cơ

Trong quá trình làm việc, thực hiện biến đổi điện năng thành cơ năng, một phần năng lượng bị tiêu tán bên trong động cơ dưới dạng nhiệt, biểu diễn dưới dạng tổn thất công suất: P = Pđ - Pcơ

Pđ: Công suất điện mà động cơ tiêu thụ từ lưới.

Pcơ ( Pc ): Công suất cơ động cơ đưa ra ở đầu trục.

Vì Pcơ = . Pđ P = (1-). Pđ =



)Pc

1 ( 

= cđđ

đm

đm Pc P



 ) 1 ( 

.

(Nếu ở chế độ định mức)

Công suất tổn hao gồm ba phần:

- Tổn hao do ma sát ở các ổ bi và Roto quay trong không khí.

- Tổn hao sắt từ, phụ thuộc và chất lượng lõi sắt rôto và Stator.

- Tổn hao trong các cuộn dây (tổn hao đồng) do hiệu ứng Jull. Tổn hao này tỉ lệ với bình phương dòng chạy qua Roto, Stator -> phụ thuộc vào tải -> Tổn hao thuộc loại tổn hao biến đổi, chiếm tỉ lệ lớn trong P: Vậy P= Pkhông đổi + Pbiến đổi . Chính

P sinh ra nhiệt lượng đốt nóng động cơ làm t0 động cơ tăng lên. Nếu động cơ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh thì t0 tăng mãi đếnnếu động cơ làm việc lâu dài. Thực tế, nhiệt lượng toả ra môi trường ngoài qua mặt ngoài động

101

cơ làm hạn chế sự phát nóng đó. Sau một thời gian làm việc, t0 động cơ không tăng nữa mà đạt trị số ổn định. Lúc đó, nhiệt lương tỏa ra môi trường trong một đơn vị thời gian bằng nhiệt lượng sinh ra trong động cơ. Đó là trạng thái cân bằng động về nhiệt của động cơ:

b. Các phương trình cân bằng nhiệt

Giả thiết động cơ là một vật thể đồng nhất, nhiệt độ giống nhau ở mọi điểm

và dẫn truyền nhiệt tức thời (hệ số dẫn nhiệt rất lớn). Nhiệt lượng sinh ra ở động cơ trong thời gian dt là: Pdt (J), nhiệt lượng này chia làm hai phần: Phần nhiệt lượng làm cho động cơ nóng lên là C.d (C: Nhiệt dung của động cơ, tức là nhiệt lượng cần thiết làm cho động cơ nóng lên 10c (J/0C)), : Nhiệt sai (nhiệt độ chênh lệch giữa động cơ và môi trường(0C). ). Phần nhiệt lượng từ động cơ toả ra môi trường trong khoảng dt: A. . dt (A: Hệ số toả nhiệt, nhiệt lượng mà động cơ toả ra môi trường trong 1 đơn vị thời gian khi chênh lệch giữa nhiệt độ động cơ và nhiệt độ môi trường là10C(w/0C)); A phụ thuộc vào điều kiện làm mát của động cơ, nếu làm mát tốt thì A lớn.

Vậy, phương trình cân bằng nhiệt: P.dt = Cd + Adt (1).

Dùng phương pháp phân ly biến số, giải (1) với , điều kiện đầu: t=0, = bđ ta có nghiệm: =ôđ (1 - e-t/ )(2).

ôđ =

A

P: Nhiệt sai ổn định ; : Hằng số thời gian đốt nóng : =

A

C (thực chất,

nghiệm là:  = ôđ + (bđ- ôđ). e-t/, nhưng tại t = 0 có bd = 0: t0 động cơ = t0môi trường) => = ôđ (1 - e-t/).

Đây là phương trình biểu diễn đường cong phát nóng của động cơ.

Khi đang làm việc với một nhiệt sai nào đó, nếu cắt động cơ khỏi nguồn điện thì động cơ sẽ nguội dần. Lúc này, nguyên nhân sinh ra nhiệt của động cơ chỉ còn là lượng mất mát do ma sát rất nhỏ nên xem nhiệt lượng phát ra: Q=0

(ôđ =0) => = bđ .e-t/.

Đây là phương trình biểu diễn đường cong nguội lạnh của động cơ.

Chú ý: bđ trong quá trình nguội lạnh chính là ôđ trong quá trình phát nóng. Từ đó,

ta xây dựng được đường cong phát nóng và nguội lạnh:

1.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện

Để tiến hành chọn công suất động cơ điện dựa theo chế độ nhiệt của động cơ, người ta phân loại các chế độ làm việc của động cơ:

a. Chế độ làm việc dài hạn

Chế độ này động cơ làm việc có phụ tải trong một thời gian dài. Do đó, khi làm việc, động cơ có nhiệt độ đạt tới giá trị ổn định. Trong đó, nhiệt sai của động cơ cũng đạt tới trị số ổn định.

102 VD: Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn là các động cơ kéo quạt gió, bơm nước, máy nén khí.

Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai của động cơ như hình vẽ.

Hình 6-1. Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ dài hạn

b. Chế độ làm việc ngắn hạn

Động cơ làm việc có phụ tải trong 1 thời gian ngắn. Nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải, thời gian nghỉ của động cơ rất dài, nhiệt sai của động cơ đủ để giảm xuống bằng nhiệt sai ban đầu.

VD: Động cơ đóng, mở cửa đập nước, động cơ trong các cơ cấu nâng – hạ xà ngang, nêm chặt xà ở các máy cắt gọt kim loại lớn (Tiện đứng, phay giường, bào giường…). Giản đồ phụ tải, đường cong nhiệt sai như hình vẽ:

Hình 6-2. Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ ngắn hạn

c. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

Thời gian làm việc có phụ tải và thời gian nghỉ xen kẽ nhau. Các khoảng thời gian này tương đối ngắn. trong thời gian làm việc: tlv, nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải.Trong thời gian nghỉ, nhiệt sai động cơ giảm nhưng chưa về trị số cũ thì lại có phụ tải, nhiệt sai lại tăng lên. Quá trình cứ thế mà lặp lại, cuối cùng, nhiệt độ động cơ dao động xung quanh một nhiệt độ ổn định trung bình tb nào đó giữa max và min.

VD: Cầu trục, máy hàn, cần trục…

103 Chế độ này được đặc trưng bởi hệ số thời gian đóng điện tương đối:

 % = 100% 100%

 ng cklv

lv

lv

T t t

t

t . Các trị số tiêu chuẩn của  % là: 15%; 25%; 40%; 60%.

Hình 6-3. Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ ngắn hạn lặp lại

1.3. Phương pháp chung chọn công suất động cơ.

a. Các chỉ tiêu chọn động cơ điện.

Chọn động cơ điện phải đảm bảo hai mặt: Kinh tế và kỹ thuật.

* Về mặt kỹ thuật:

- Động cơ được chọn phải có cấp điện áp phù hợp với nguồn.

- Động cơ phải thích ứng với môi trường làm việc (khô ráo, ẩm ướt, sạch sẽ hoặc bụi bẩn, nóng hoặc lạnh…).

- Động cơ đựơc chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng (Điều kiện cơ bản nhất), sao cho khi làm việc bình thường hoặc khi quá tải cho phép, t0 động cơ không được vượt quá t0 cho phép.

- Động cơ phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, xem có hay không điều chỉnh tốc độ,

có cấp hay vô cấp.

- Phải đảm bảo điều kiện khởi động tốt theo yêu cầu phụ tải.

* Về mặt kinh tế.

Động cơ điện được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư

rẻ chi phí vận hành, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất động cơ.

b. Các bước chọn công suất động cơ.

Động cơ điện muốn kéo đựơc cơ cấu sản xuất cần phải sản ra một mômen Mđ

có khả năng khắc phục được các mômen sau: Mômen phụ tải cơ cấu sản xuất: Mpt;

104 Mômen không tải M0; Mômen động Mđg, nghĩa là Mđ Mpt + M0 + Mđg. Muốn tìm được Mđ cần có các điều kiện ban đầu và các bước tính toán.

* Điều kiện ban đầu.

- Phải có biểu đồ phụ tải cơ cấu sản xuất: Mc = f1(t) hoặc Pc = f2(t) hoặc nhiệt lượng tiêu hao Q= f3(t) hay dòng điện I= f4(t).

- Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trong qúa trình làm việc: n= f5(t) hoặc = f6(t). Giả thiết biểu đồ đã cho như hình vẽ trang bên.

* Các bước tính toán.

Trước hết căn cứ vào biểu đồ phụ tải tĩnh: Mc = f(t), tính mômen trung bình theo

biểu thức:







 n

i i n

i i i

tb

t t M M

1 1

Sau đó, chọn sơ bộ động cơ có Mđm  Mtb.

- Tính mômen động: Mđg ( xuất hiện trong quá trình quá độ: Mở, hãm, đảo chiều

quay động cơ v.v…):  

tg

dt J

J d M M

Mđg  Đ c ht  ht

Jht: Mômen quán tính của hệ thống đã quy đổi về đầu trục động cơ.

- Vẽ biểu đồ Mđg = f(t) như hình vẽ.

- Vẽ biểu đồ phụ tải động của hệ thống như hình vẽ: Mcđg= Mpt+ Mo + Mđg

- Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả năng quá tải của động cơ theo điều kiện:

M . Mđm  Mmax

Trong đó: Mđm: Momen định mức của động cơ đã chọn sơ đồ.

Mmax: Momen max trên biểu đồ phụ tải.

M: Bội số mômen (hệ số quá tải).

- Kiểm tra lại suất động cơ theo điều kiện phát nóng. Nếu kiểm tra không thoả mãn

=> Chọn lại động cơ.

2.Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ

Mục tiêu:

Trình bầy được phương pháp chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ

Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã quy đổi về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu. Từ đồ thị phụ tải, chọn sơ bộ công suất động cơ, tra sổ tay các tham số, từ đó, xây dựng đồ thị phụ tải chính xác. Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đã chọn.

2.1.Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn

Đối với phụ tải dài hạn, có loại không đổi, có loại biến đổi.

105

* Phụ tải dài hạn không đổi:

Động cơ cần chọn phải có công suất định mức lớn hơn công suất yêu cầu: Pđm

≥ Pc và tốc độ định mức phù hợp với yêu cầu. Thường thì chọn Pđm = (1  1,3)Pc. Trong trường hợp này, việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản, không cần kiểm nghiệm quá tải về mômen, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng.

* Phụ tải dài hạn biến đổi: Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải, tính ra giá trị trung bình của mômen hoặc công suất:







  n

o i i n

o i

i i

tb

t t M M

.

; 

 

i i i

tb

t t P P

.

Động cơ chọn phải có: Mđm = (1  1,3).Mtb

Pđm = (1  1,3).Ptb

Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm về phát nóng, khởi động, quá tải về mômen.

2.2.Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn

Trong chế độ làm việc ngắn hạn có thể sử dụng động cơ dài hạn hoặc sử dụng động cơ chuyên dùng cho chế độ làm việc ngắn hạn.

a) Chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn:

Trong trường hợp không có động cơ chuyên dụng cho chế độ ngắn hạn, ta có thể chọn các động cơ thông thường chạy dài hạn để làm việc trong chế độ ngắn hạn. Nếu chọn động cơ dài hạn theo phương pháp thông thường có Pđm = (1÷1,3)Pc thì khi làm việc ngắn hạn trong khoảng thời gian tlv nhiệt độ động cơ mới tăng tới nhiệt độ τ1 đã nghỉ làm việc và sau đó hạ nhiệt độ đến nhiệt độ môi trường τmt. Rõ ràng việc này gây lãng phí vì không tận dụng hết khả năng chịu nhiệt (tới nhiệt độ τôđ) của động cơ.

Vì vậy khi dùng động cơ dài hạn để làm việc ở chế độ ngắn hạn, cần chọn công suất động cơ nhỏ hơn để động cơ phải làm việc quá tải trong thời gian đóng điện tlv. Động cơ sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn nhưng khi kết thúc thời gian làm việc, nhiệt độ của động cơ không được quá nhiệt độ τôđ cho phép.

Như vậy, để chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn, ta phải dựa vào công suất làm việc yêu cầu Plv và giả thiết hệ số quá tải công suất x để chọn

sơ bộ công suất động cơ dài hạn (Plv = x.Pđm hay Mlv = x.Mđm). Từ đó có thể xác định được thời gian làm việc cho phép của động cơ vừa chọn. Việc tính chọn

đó được lập lại nhiều lần làm sao cho tlv tính toán ≤ tlv yêu cầu.

106

b) Chọn động cơ ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn:

Động cơ ngắn hạn được chế tạo có thời gian làm việc tiêu chuẩn là 15, 30,

60, 90 phút. Như vậy ta phải chọn tlv = tchuẩn và công suất động cơ Pđm chọn ≥ Plv hay Mđm chọn ≥ Mlv.

Nếu tlv ≠ tchuẩn thì sơ bộ chọn động cơ có tchuẩn và Pđm gần với giá trị tlv

và Plv. Sau đó xác định tổn thất động cơ ∆Pđm với công suất và ∆Plv với Plv. Quy tắc chọn động cơ là:

Đồng thời tiến hành kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện quá tải về mômen

và mômen khởi động cũng như điều kiện phát nóng.

2.3.Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại

Sau 1 thời gian, nhiệt sai động cơ sẽ ổn định biến thiên trong khoảng min,

max. Tương tự như trường hợp phụ tải ngắn hạn, ta có thể chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại hoặc chọn động cơ chuyên dùng ngắn hạn lặp lại.

* Chọn công suất động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại.

Thường động cơ dài hạn được chọn:

Pđm  Plv

Hệ số quá tải về nhiệt:

 =

max

od

dm lv

P

P 





Từ đường cong phát nóng, ta có  = od tt vv

lv lv

e e

/ ' /

max 1

1



  





Trong đó: : Hằng số thời gian phát nóng

A

C

 ;

o lv

lv

v v t

t 

  

' ;

: Hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi trong thời gian nghỉ t0. ( = 0,5: Động

cơ một chiều,  = 0,25: Động cơ KĐB).

Dựa vào đồ thị phụ tải, xác định Plv yêu cầu, tlv, to từ đó chọn sơ bộ công suất động cơ

để có  và o rồi tính ’ và suy ra . Dùng phương pháp tính lặp sao cho: Plv Pdm



 



* Chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại.

Động cơ ngắn hạn lặp lại được chế tạo chuyên dùng, độ bền cơ khí tốt, quán tính nhỏ, khả năng quá tải lớn (từ 2,53,5), đồng thời chế tạo chuẩn với % = 15%; 25%; 40%; 60%.

Động cơ được chọn cần thỏa mãn hai điều kiện:

+ Pđm chọn ≥Plv.

+ %đm chọn phù hợp với %lv.

107 Trường hợp chưa phù hợp thì hiệu chỉnh lại Pđm theo công thức:

Pđmchọn ≥Plv.

dm chon lv

%

%





Chú ý: Trường hợp phụ tải biến đổi thì phải dùng công thức các đại lượng đẳng trị:

Pđt =

 

i

i i

t

t

P2

;   

 

io i

i

dt t t

% t



Sau đó kiểm tra quá tải về mômen, mômen khởi động và phát nóng.

3.Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ.

Mục tiêu:

Trình bầy được phương pháp tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ.

Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp này, cần phải biết các yêu cầu

cơ bản:

+ Đặc tính phụ tải: Pyêu cầu (); Myêu cầu(); đồ thị phụ tải: Pc(t); Mc(t); (t).

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ: max, min

+ Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn.

+ Phương pháp điều chỉnh và BBĐ trong hệ thống truyền động đó cần định hướng trước.

Như vậy, để tính chọn công suất động cơ ta phải biết phụ tải. Trong nhiều trường hợp, phụ tải rất khác nhau. Ta có thể chia thành hai nhóm.

+ Nhóm 1: ở mọi tốc độ, điều chỉnh Mc = const, công suất cản tỉ lệ bậc 1 với tốc

độ.

+ Nhóm 2: ở mọi tốc độ, điều chỉnh công suất không đổi (Pc = const), còn Mc tỉ

lệ nghịch với tốc độ:

o

c

M  P

Đối với động cơ điện, các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo tải cho phép được

chia hai nhóm:

+ Nhóm 1: Điều chỉnh tốc độ với mômen cho phép của động cơ không biến đổi

ở mọi tốc độ, thường gọi là các phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ mômen cho phép không đổi, Rp tỉ lệ bậc nhất với .

Các phương pháp này thường được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp hoặc Rp mạch phần ứng của động cơ điện một chiều KTĐL, thay đổi Rp mạch rôtor hoặc số đôi cực ở ĐCKĐB.

+ Nhóm 2: Điều chỉnh tốc độ với Pcp = const;

cp

cp

M  P , thực hiện bằng cách giảm (ĐCMC) hoặc thay đổi số đôi cực (1 số trường hợp ĐCKĐB).

* Chọn công suất động cơ cho truyền động điều chỉnh tốc độ có: Mc = const

108

* Trường hợp: Mcp = const

Động cơ chọn phải có: Mđm = Mc

đm = max (điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản)

Pđm = Mđm.đm = Mcmax = Pcmax.

* Trường hợp: Pcp = const

Động cơ chọn phải có: Pđm = Pcmax =Mcmax

đm = min (điều chỉnh ở n>ncb do Pcp = const)

Mđm = P P M M D

c

m im c c

dm

dm max .

min

max  

 







Cho thấy: Những truyền động yêu cầu Mc = const, nếu chọn động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có: Pcp = const (không phù hợp yêu cầu của tải) => Mđm = D.Mc => Tăng kích thước, giá thành động cơ.

* Chọn công suất động cơ có Pc = const.

- Pcp = const: Phù hợp với yêu cầu phụ tải.

Yêu cầu: Pđm = Pc

Mđm =

dmdm

P

Riêng ĐCMCKTĐL: Pcp = const (thực nghiệm với n>ccb bằng cách )

Yêu cầu chọn: đm = min

Mđm = max

min

c

c M

P 



* Mcp = const (không phù hợp với yêu cầu tải)

Yêu cầu chọn: Mđm = Mcmax

Với

min

max c

c

M  P

Mcp = const => thực hiện với  < cb thì phải chọn:

đm = max

Pđm = Mđm. đm = Pc. Pc.D

min max 





4.Kiểm nghiệm công suất động cơ

Mục tiêu:

Trình bầy được phương pháp iểm nghiệm công suất động cơ

Để khẳng định chắc chắn việc tính chọn sơ bộ công suất động cơ là chấp nhận được, ta cần phải kiểm nghiệm lại việc tính chọn đó. Yêu cầu kiểm nghiệm:

- Kiểm nghiệm phát nóng: P  Pcp

- Kiểm nghiệm quá tải về mômen: M.Mđm đông cơ > Mcmax

- Kiểm nghiệm mômen khởi động: Mkđ đông cơ ≥ Mc mở máy